DELMIA環(huán)境下汽車沖壓自動線仿真

龐在祥， 王慶來， 范質(zhì)允， 邵昱博

(1.長春工業(yè)大學 工程訓練中心， 吉林 長春 1300122.長春工業(yè)大學 機電工程學院， 吉林 長春 130012)

0 引 言

汽車制造業(yè)的快速發(fā)展也為沖壓生產(chǎn)工藝的發(fā)展帶來新的機遇。轎車零部件中40%以上是金屬板材沖壓件，而汽車車身的金屬件幾乎100%是沖壓件。隨著汽車制造水平的提高，汽車沖壓件的類型趨于多樣化,工藝水平變得更加復雜，如何人性化完成沖壓生產(chǎn)是亟待解決的問題。目前傳統(tǒng)手工送料方式存在效率低、產(chǎn)品一致性差、加工精度低、安全性低等問題。自動化生產(chǎn)線的出現(xiàn)則很好地解決了以上問題，實現(xiàn)了沖壓零部件的批量生產(chǎn)及自動化，且精度高，生產(chǎn)效率得到大幅提升，提高了生產(chǎn)節(jié)拍和生產(chǎn)質(zhì)量[1-4]。

為提高汽車零部件生產(chǎn)效率，確保產(chǎn)品質(zhì)量，實現(xiàn)汽車零部件沖壓生產(chǎn)線自動化，基于DELMIA軟件對生產(chǎn)線進行特征建模，對沖壓生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍進行模擬仿真，檢測生產(chǎn)線各零件之間的裝配是否合理、是否出現(xiàn)碰撞干涉、是否滿足生產(chǎn)線在實際生產(chǎn)中的工作要求等情況，并對生產(chǎn)線的節(jié)拍進行優(yōu)化。通過對沖壓生產(chǎn)線的運動仿真能夠再現(xiàn)實際的沖壓生產(chǎn)環(huán)境，為用戶提供較為直觀的現(xiàn)場環(huán)境，為產(chǎn)品技術(shù)方案的實施及產(chǎn)品優(yōu)化提供指導。

1 DELMIA環(huán)境下自動線建模

沖壓生產(chǎn)線是由多個設(shè)備單元組成，并通過多個單元的協(xié)調(diào)操作完成產(chǎn)品的沖壓生產(chǎn)，所以沖壓自動線的仿真模型是一個不連續(xù)的復雜系統(tǒng)。基于DELMIA軟件對生產(chǎn)線各組成零件的功能特征進行參數(shù)提取，對沖壓生產(chǎn)線的各個元素進行統(tǒng)一建模，并根據(jù)生產(chǎn)線的總體布局進行裝配工作。

沖壓生產(chǎn)線由送料臺、送料桿、壓機和出料臺等設(shè)備組成。生產(chǎn)線中的設(shè)備單元有多個，每個單元設(shè)備的結(jié)構(gòu)各不相同，所以建模過程中要提取多個特征量，而過多的特征量會導致運動仿真速度變慢。基于以上原因,在不影響運動仿真情況下，提取機構(gòu)中的關(guān)鍵生產(chǎn)要素及相關(guān)特征量，以達到對系統(tǒng)模型的簡化，提高運動仿真速度和系統(tǒng)的仿真效率[5]。

基于數(shù)字化仿真軟件DELMIA對沖壓生產(chǎn)線建立相應(yīng)的等效模型。利用建立實體模型的建模方法，通過軟件中的草圖功能繪制零件輪廓，建立沖壓生產(chǎn)線零件的三維實體模型，并通過軟件中相關(guān)建模命令建立沖壓生產(chǎn)線的實體特征模型，完成生產(chǎn)線模型的繪制[6-7]。沖壓生產(chǎn)線三維模型如圖1所示。

圖1 沖壓生產(chǎn)線三維模型

2 生產(chǎn)參數(shù)分析

基于建立的系統(tǒng)簡化模型，以生產(chǎn)過程中的實際生產(chǎn)線參數(shù)為依據(jù)，對沖壓生產(chǎn)線的生產(chǎn)情況進行研究。以日常生產(chǎn)效率9SPM(每分鐘凈沖壓次數(shù))為例。通過對實際生產(chǎn)線的運行情況進行分析，確定生產(chǎn)過程中所需的運動部件，建立仿真模型，并對模型中運動部件(包括送料桿、壓機和模具)設(shè)定相應(yīng)的約束條件(包括運動約束及時間約束)。根據(jù)生產(chǎn)過程中實際生產(chǎn)線的生產(chǎn)信息，得出沖壓生產(chǎn)線仿真模型中各運動機構(gòu)實際的送料桿運動參數(shù)、沖壓自動線的運動軌跡參數(shù)和時間周期，分別見表1和表2。

表1 送料桿運動參數(shù)

表2 沖壓生產(chǎn)線運動軌跡參數(shù)及時間周期表

續(xù)表2

3 運動模型建立

將之前所建立的沖壓生產(chǎn)線的3D幾何模型轉(zhuǎn)化為仿真分析的機構(gòu)模型，并在DELMIA環(huán)境對生產(chǎn)線進行運動仿真，由于模型的簡化,所以在仿真過程約束的添加較為方便，只對生產(chǎn)線中旋轉(zhuǎn)運動的零部件添加旋轉(zhuǎn)副約束，直線運動的零部件不需要添加約束。文中所要進行仿真的沖壓生產(chǎn)線中只有送料桿有旋轉(zhuǎn)運動，所以只對送料桿添加旋轉(zhuǎn)副約束。送料桿運動機構(gòu)模型分析如圖2所示。

圖2 送料桿運動機構(gòu)模型分析

4 運動仿真與分析

4.1 添加約束、驅(qū)動及負載

在產(chǎn)品清單(Product List)中導入之前已經(jīng)建立好的裝配文件及相應(yīng)布局圖，并建立相應(yīng)的工藝流程及運動約束；對沖壓生產(chǎn)線中的各運動部件添加約束，規(guī)劃生產(chǎn)線的運動軌跡，建立沖壓生產(chǎn)線的仿真序列，并設(shè)定運動部件在運動過程中所需要的時間[8]。

工藝流程如圖3所示。

圖3 建立的工藝流程

壓機在生產(chǎn)線模擬過程中的運動方式為直線運動，本生產(chǎn)線中壓機的數(shù)量為3個。其中，在生產(chǎn)線系統(tǒng)中壓機1和壓機2采用相同的運動方式，具體包含上模下行、上模和壓邊圈一起下行再上行、上模上行等三個運動階段；壓機3在運動過程中與壓機1和壓機2相比多出個斜楔運動。送料桿運動流程及壓機運動流程分別如圖4和圖5所示。

圖4 送料桿運動流程

圖5 壓機運動流程

在沖壓生產(chǎn)過程中,生產(chǎn)的產(chǎn)品是需要整條生產(chǎn)線各運動單元間的協(xié)調(diào)運動來實現(xiàn)的。從原始的板料到最后產(chǎn)品成型，通過工藝及運動流程可知，生成運動的各零部件之間是相對獨立運動。它們之間的邏輯關(guān)系通過仿真模型中每個動作的先后順序聯(lián)系起來，最終形成各部件間的協(xié)調(diào)運動。生產(chǎn)線整體動作邏輯關(guān)系及生產(chǎn)線運動仿真文件分別如圖6和圖7所示。

4.2 沖壓生產(chǎn)線節(jié)拍優(yōu)化

生產(chǎn)效率是沖壓生產(chǎn)線在實際生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)能力，是在生產(chǎn)條件穩(wěn)定的情況下，一定時間內(nèi)沖壓生產(chǎn)線所能夠生產(chǎn)加工出來的成品或半成品的數(shù)量；生產(chǎn)節(jié)拍是指在生產(chǎn)條件穩(wěn)定的情況下,單件產(chǎn)品或半成品的生產(chǎn)時間的間隔，表示的是生產(chǎn)速度。在生產(chǎn)過程中,生產(chǎn)效率越高，每個產(chǎn)品的成本越低。不理想的生產(chǎn)規(guī)劃會導致在實際生產(chǎn)過程中設(shè)備的使用效率降低，沖壓生產(chǎn)線設(shè)計過于復雜等狀況出現(xiàn)，同時降低系統(tǒng)的可靠性。因此，在進行沖壓生產(chǎn)線的設(shè)計時需要對如何縮短生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍、如何提高生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率進行充分考慮，也是如何完成降低生產(chǎn)線生產(chǎn)成本的重要任務(wù)[9]。

目前在用戶企業(yè)中,沖壓生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率一般為9SPM，為了提高沖壓生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率，根據(jù)用戶的實際生產(chǎn)需要將生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率提高為12SPM。生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍由相應(yīng)的6.7 s降低至5 s。通過生產(chǎn)線中實際壓機的節(jié)拍參數(shù)，對生產(chǎn)線相鄰兩道工序之間的送料起始時間及停止時間進行調(diào)整，來達到節(jié)拍時間的平衡。建立沖壓生產(chǎn)線的節(jié)拍仿真優(yōu)化模型，并在所優(yōu)化的仿真模型中進行仿真分析，得出優(yōu)化后沖壓生產(chǎn)線中三臺壓機的節(jié)拍協(xié)調(diào)關(guān)系及優(yōu)化后沖壓生產(chǎn)線中四臺送料桿節(jié)拍協(xié)調(diào)關(guān)系，分別如圖8和圖9所示。

圖6 整體動作邏輯關(guān)系

圖7 生產(chǎn)線運動仿真文件

圖8 優(yōu)化后三臺壓機節(jié)拍協(xié)調(diào)關(guān)系

圖9 優(yōu)化后四臺送料桿節(jié)拍協(xié)調(diào)關(guān)系

通過仿真分析可知，沖壓生產(chǎn)線在保證不改變壓機和送料桿系統(tǒng)整體性能的情況下，只通過對生產(chǎn)線生產(chǎn)節(jié)拍進行調(diào)整，縮短相鄰兩道工序之間的送料起始時間及停止時間，使生產(chǎn)節(jié)拍由6.7 s減少到5 s，提高了自動線的沖壓生產(chǎn)效率。

5 結(jié) 語

基于DELMIA軟件對生產(chǎn)線進行特征建模，對沖壓生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍進行模擬仿真，檢測生產(chǎn)設(shè)備裝配是否合理，并對生產(chǎn)線的節(jié)拍進行優(yōu)化。通過對沖壓生產(chǎn)線的運動仿真能夠再現(xiàn)實際的沖壓生產(chǎn)環(huán)境，為用戶提供較為直觀的現(xiàn)場環(huán)境，為技術(shù)方案的實施及優(yōu)化提供指導。